A study for managing wireless communicating objects in energy neutral operation
Étude de la gestion de l’autonomie en énergie d’objets communicants sans fil
Résumé
Energy consumption and autonomy are crucial issues when designing wireless sensor networks (WSN). To study these problematics, our approach is based on simulation models and techniques that allow analyzing the system rapidly and accurately in different configurations. To do so, a behavioral modeling approach is used to model the receiver, the transmitter as well as the wireless communication channel. In order to reduce the simulation time while keeping an acceptable accuracy, our method considers a communication link level. Our models have been validated by comparing our simulation results with experiments performed in the field using WSN prototypes. In order to simulate the energy harvesting system, the battery as well as the power manager with efficiency, high level models have been developed. Those models are based on the electric charge balance between the energy harvesting system, the battery and the mote. Using these models, two innovative techniques of power management are proposed. According to both the amount of harvested energy and the state of charge of the battery, the power manager adapts the performance, thus the consumed energy, to ensure when it is possible the energy neutral operation (ENO) of a mote. A comparison with a state-of-the-art power management policy shows a 50% improvement of the throughput when our power managers are used. This PhD also addresses a global energy management technique. Our approach takes into account the harvested energy as well the communication channel to simultaneously handle the wake-up period and the transmitting power of the mote. A new transmission power technique, called PTPC (Predictive-Transmission-Power-Control), is proposed for that purpose. Simulation results show that for a 0.5 m/s speed, the throughput of the node using PTPC is around 5 times higher compared to a state-of-the-art transmission power technique approach.
La consommation d’énergie et l’autonomie sont des problématiques majeures dans les réseaux de capteurs sans fil. Afin d’étudier ces problématiques, nous nous sommes appuyés sur un ensemble de modèles et de techniques de simulation qui permet d’analyser le système dans différentes configurations, rapidement et avec précision. Nous avons utilisé une approche de modélisation comportementale pour modéliser le récepteur, le transmetteur et le canal de communication sans fil et on se place au niveau liaison de communication, ce qui nous permet d'avoir un temps de simulation réduit et une précision satisfaisante. Nous avons comparé les résultats de simulation à des résultats expérimentaux collectés lors de tests sur le terrain et ceci nous a permis de vérifier la validité de nos modèles. Pour pouvoir simuler de façon efficace le système de récupération d’énergie, la batterie et le power manager, des modèles de haut niveau ont été développés. Ces modèles sont basés sur l’équilibre de charge électrique entre le système de récupération d’énergie, la batterie et le nœud. Sur la base de ces modèles, nous avons proposé deux techniques innovantes de power management. En fonction de la quantité d’énergie récupérée et l’état de charge de la batterie, le power manager change la performance et donc la consommation du nœud, pour assurer, quand cela est possible, l’équilibre énergétique. La comparaison avec une technique de power management présentée dans la littérature montre que nos power managers permettent une amélioration du débit de près de 50%. Les travaux concernent également une technique globale de gestion de la consommation d’énergie. Notre approche prend en compte la récupération d’énergie et le canal de communication et gère simultanément la période de réveil du nœud et la puissance d’émission. Nous avons proposé une technique de gestion de la puissance d’émission appelée PTPC (Predictive-Transmission-Power-Control). Les résultats de simulation montrent que pour une vitesse de 0.5 m/s le débit fourni par PTPC est environ 5 fois supérieur par rapport à une technique de contrôle de la puissance d’émission présentée dans la littérature.
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